Проектирование и испытание фототранзистора

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ. 2

1  ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТРАНЗИСТОРАХ.. 4

1.1 Основные понятия. 4

1.2 Принцип работы транзисторов. 6

1.2.1 Расчет линейной зависимости токов в транзисторе. 10

2  ФОТОТРАНЗИСТОР. 12

2.1 Принцип работы.. 12

2.1.1 Работа фототранзистора с общим эмиттером. 15

2.2 Параметры фототранзисторов. 16

2.3 Виды и конструкции фототранзисторов. 18

2.4 МДП-фототранзисторы.. 18

2.5 Гетерофототранзисторы.. 20

2.5.1 Физические основы гетероперехода. 22

2.5.2 Расчет параметров и характеристик фототранзистора на гетеропереходах  24

ВЫВОДЫ.. 28

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.. 29

ВВЕДЕНИЕ

Оптоэлектроника является одним из самых актуальных направлений современной электроники. Оптоэлектронные приборы характеризуются исключительной функциональной широтой, они успешно используются во всех звеньях информационных систем для генерации, преобразования, передачи, хранения и отображения информации. При создании оптоэлектронных приборов используется много новых физических явлений, синтезируются уникальные материалы, разрабатываются сверхпрецизионные технологии. Оптоэлектроника достигла стадии промышленной зрелости, но это только первоначальный этап, так как перспективы развития многих ее направлений практически безграничны. Новые направления чаще всего возникают как слияние и интеграция ряда уже известных достижений оптоэлектроники и традиционной микроэлектроники: таковы интегральная оптика и волоконно-оптические линии связи; оптические запоминающие устройства, опирающиеся на лазерную технику и голографию; оптические транспаранты, использующие успехи фотоэлектроники и нелинейной оптики; плоские безвакуумные средства отображения информации и др.

Оптоэлектронику как научно-техническое направление характеризуют три отличительные черты.

1. Физическую основу оптоэлектроники составляют явления, методы и средства, для которых принципиальны сочетание и неразрывность оптических и электронных процессов.

2. Техническую основу оптоэлектроники определяют конструктивно-технологические концепции современной микроэлектроники: миниатюризация элементов; предпочтительное развитие твердотельных плоскостных конструкций; интеграция элементов и функций; применение специальных сверхчистых материалов и методов прецизионной групповой обработки.

3. Функциональное назначение оптоэлектроники состоит в решении задач информатики: генерации (формировании) информации путем преобразования внешних воздействий в соответствующие электрические и оптические сигналы; передаче информации; преобразовании информации (11).

1  ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТРАНЗИСТОРАХ

1.1 Основные понятия

В числе электропреобразовательных полупроводниковых приборов, т. е. приборов, служащих для преобразования электрических величин, важное место занимают транзисторы. Они представляют собой полупроводниковые приборы, пригодные для усиления мощности и имеющие три вывода или больше. В транзисторах может быть разное число переходов между областями с различной электропроводностью. Наиболее распространены транзисторы с двумя n–р-переходами, называемые биполярными, так как их работа основана на использовании носителей заряда обоих знаков. Первые транзисторы были точечными, но они работали недостаточно устойчиво. В настоящее время изготовляются и применяются исключительно плоскостные транзисторы (6).

Рисунок 1.1 - Принцип устройства (а) и условное графическое обозначение (б) плоскостного транзистора

Устройство плоскостного биполярного транзистора показано схематически на рис. 1.1. Он представляет собой пластину германия, или кремния, или другого полупроводника, в которой созданы три области с различной электропроводностью. Для примера взят транзистор типа n–р–n, имеющий среднюю область с дырочной, а две крайние области – с электронной электропроводностью. Широко применяются также транзисторы типа р–n–р, в которых дырочной электропроводностью обладают две крайние области, а средняя имеет электронную электропроводность.

Средняя область транзистора называется базой, одна крайняя область – эмиттером, другая – коллектором. Таким образом, в транзисторе имеются два n–р-перехода: эмиттерный – между эмиттером и базой и коллекторный – между базой и коллектором.

Эмиттером следует называть область транзистора, назначением которой является инжекция носителей заряда в базу. Коллектором называют область, назначением которой является экстракция носителей заряда из базы. А базой является область, в которую инжектируются эмиттером неосновные для этой области носители заряда.

Расстояние между ними должно быть очень малым, не более единиц микрометров, т. е. область базы должна быть очень тонкой. Это является условием хорошей работы транзистора. Кроме того, концентрация примесей в базе всегда значительно меньше, чем в коллекторе и эмиттере. От базы, эмиттера и коллектора сделаны выводы (15).

Для величин, относящихся к базе, эмиттеру и коллектору, применяют в качестве индексов буквы «б», «э» и «к». Токи в проводах базы, эмиттера и коллектора обозначают соответственно i_б, i_э, i_к. Напряжения между электродами обозначают двойными индексами, например напряжение между базой и эмиттером i_б-э, между коллектором и базой u_к-б. На условном графическом обозначении транзисторов р–n–р и n–р–n стрелка показывает условное (от плюса к минусу) направление тока в проводе эмиттера при прямом напряжении на эмиттерном переходе.

Транзистор может работать в трех режимах в зависимости от напряжения на его переходах. При работе в активном режиме на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном – обратное. Режим отсечки, или запирания, достигается подачей обратного напряжения на оба перехода. Если же на обоих переходах напряжение прямое, то транзистор работает в режиме насыщения. Активный режим является основным. Он используется в большинстве усилителей и генераторов. Поэтому мы подробно рассмотрим работу транзистора в активном режиме. Режимы отсечки и насыщения характерны для импульсной работы транзистора и также будут рассмотрены в дальнейшем.

В схемах с транзисторами обычно образуются две цепи. Входная, или управляющая, цепь служит для управления работой транзистора. В выходной, или управляемой, цепи получаются усиленные колебания. Источник усиливаемых колебаний включается во входную цепь, а в выходную включается нагрузка. Для величин, относящихся к входной и выходной цепи, применяют соответственно индексы «вх» и «вых» или 1 и 2 (2).

1.2    Принцип работы транзисторов

Рассмотрим, прежде всего, как работает транзистор, для примера типа n–р–n, в режиме без нагрузки, когда включены только источники постоянных питающих напряжений E₁ и Е₂ (рис. 1.2, а). Полярность их такова, что на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном – обратное.

Поэтому сопротивление эмиттерного перехода мало и для получения нормального тока в этом переходе достаточно напряжения Е₁ в десятые доли вольта. Сопротивление коллекторного перехода велико, и напряжение Е₂ обычно составляет единицы или десятки вольт. Из схемы на рис. 1.2, а видно, что напряжения между электродами транзистора связаны простой зависимостью (10)

u_к-э =u_к-б + u_б-э                                           (1.1)

При работе транзистора в активном режиме обычно всегда u_б-э«u_к-б и, следовательно, u_к-э »u_к-б.

Рисунок 1.2 - Движение электронов и дырок в транзисторах типа n-р-n и р-n-р

Принцип работы транзистора заключается в том, что прямое напряжение эмиттерного перехода, т. е. участка база – эмиттер (u_б-э), существенно влияет на токи эмиттера и коллектора: чем больше это напряжение, тем больше токи эмиттера и коллектора. При этом изменения тока коллектора лишь незначительно меньше изменений тока эмиттера. Таким образом, напряжение u_б-э, т. е. входное напряжение, управляет током коллектора. Усиление электрических колебаний с помощью транзистора основано именно на этом явлении (9).

Физические процессы в транзисторе происходят следующим образом. При увеличении прямого входного напряжения uб-э понижается потенциальный барьер в эмиттерном переходе и соответственно возрастает ток через этот переход – ток эмиттера i_э,. Электроны этого тока инжектируются из эмиттера в базу и благодаря диффузии проникают сквозь базу в коллекторный переход, увеличивая ток коллектора. Так как коллекторный переход работает при обратном напряжении, то в этом переходе возникают объемные заряды, показанные на рисунке кружками со знаками « + » и « –». Между ними возникает электрическое поле. Оно способствует продвижению (экстракции) через коллекторный переход электронов, пришедших сюда из эмиттера, т. е. втягивают электроны в область коллекторного перехода (4).

Если толщина базы достаточно мала и концентрация дырок в ней невелика, то большинство электронов, пройдя через базу, не успевает рекомбинировать с дырками базы и достигает коллекторного перехода. Лишь небольшая часть электронов рекомбинирует в базе с дырками. В результате рекомбинации возникает ток базы. Действительно, в установившемся режиме число дырок в базе должно быть неизменным. Вследствие рекомбинации каждую секунду сколько-то дырок исчезает; но столько же новых дырок возникает за счет того, что из базы уходит в направлении к плюсу источника Е₁ такое же число электронов. Иначе говоря, в базе не может накапливаться много электронов. Если некоторое число инжектированных в базу из эмиттера электронов не доходит до коллектора, а остается в базе, рекомбинируя с дырками, то точно такое же число электронов должно уходить из базы в виде тока i_б. Поскольку ток коллектора получается меньше тока эмиттера, то в соответствии с первым законом Кирхгофа всегда существует следующее соотношение между токами (3):

i_э = i_к + i_б                                                  (1.2)

Ток базы является бесполезным и даже вредным. Желательно, чтобы он был как можно меньше. Обычно i6 составляет малую долю (проценты) тока эмиттера, т. е. i_бэ, а следовательно, ток коллектора лишь незначительно меньше тока эмиттера и можно считать i_к« i_э. Именно для того, чтобы ток i_б был как можно меньше, базу делают очень тонкой и уменьшают в ней концентрацию примесей, которая определяет концентрацию дырок. Тогда меньшее число электронов будет рекомбинировать в базе с дырками.

Если бы база имела значительную толщину и концентрация дырок в ней была велика, то большая часть электронов эмиттерного тока, диффундируя через базу, рекомбинировала бы с дырками и не дошла бы до коллекторного перехода. Ток коллектора почти не увеличивался бы за счет электронов эмиттера, а наблюдалось бы лишь увеличение тока базы.

Когда к эмиттерному переходу напряжение не приложено, то практически можно считать, что в этом переходе нет тока. В этом случае область коллекторного перехода имеет большое сопротивление постоянному току, так как основные носители зарядов удаляются от этого перехода и по обе стороны от границы создаются области, обедненные этими носителями. Через коллекторный переход протекает лишь очень небольшой обратный ток, вызванный перемещением навстречу друг другу неосновных носителей, т. е. электронов из р-области и дырок из области.

Но если под действием входного напряжения возник значительный ток эмиттера, то в область базы со стороны эмиттера инжектируются электроны, которые для данной области являются неосновными носителями. Не успевая рекомбинировать с дырками при диффузии через базу, они доходят до коллекторного перехода. Чем больше ток эмиттера, тем больше электронов приходит к коллекторному переходу и тем меньше становится его сопротивление. Соответственно увеличивается ток коллектора. Иначе говоря, с увеличением тока эмиттера в базе возрастает концентрация неосновных носителей, инжектированных из эмиттера, а чем больше этих носителей, тем больше ток коллекторного перехода, т. е. ток коллектора i_к (4).

Следует отметить, что эмиттер и коллектор можно поменять местами (так называемый инверсный режим). Но в транзисторах, как правило, коллекторный переход делается со значительно большей площадью, нежели эмиттерный, так как мощность, рассеиваемая в коллекторном переходе, гораздо больше, чем рассеиваемая в эмиттерном. Поэтому если использовать эмиттер в качестве коллектора, то транзистор будет работать, но его можно применять только при значительно меньшей мощности, что нецелесообразно. Если площади переходов сделаны одинаковыми (транзисторы в этом случае называют симметричными), то любая из крайних областей может с одинаковым успехом работать в качестве эмиттера или коллектора.

1.2.1 Расчет линейной зависимости токов в транзисторе

Поскольку в транзисторе ток эмиттера всегда равен сумме токов коллектора и базы, то приращение тока эмиттера также всегда равно сумме приращений коллекторного и базового тока:

∆i_э = ∆i_к + ∆i_б                                            (1.3)

Важное свойство транзистора – приблизительно линейная зависимость между его токами, т. е. все три тока транзистора изменяются почти пропорционально друг другу.

Пусть, для примера, i_э = 10 мА, i_к = 9,5 мА, i_б = 0,5 мА. Если ток эмиттера увеличится, например, на 20% и станет равным

10 + 2 = 12 мА,

то остальные токи возрастут также на 20%;

i_б = 0,5 + 0,1 = 0,6 мА,

i_K = 9,5+ 1,9 = 11,4 мА,

так как всегда должно быть выполнено равенство (1.2), т. е.

 12 мА = 11,4 мА + 0,6 мА.

Для приращения же токов справедливо равенство (1.3), т. е.

2 мА = 1,9 мА + 0,1 мА.

Физические явления в транзисторе типа n–р–n. Подобные же процессы происходят в транзисторе типа р–n–р, но в нем меняются ролями электроны и дырки, а также изменяются полярности напряжений и направления токов (рис. 1.2,б). В транзисторе типа р–n–р из эмиттера в базу инжектируются не электроны, а дырки, которые являются для базы неосновными носителями. С увеличением тока эмиттера больше таких дырок проникает через базу к коллекторному переходу. Это вызывает уменьшение его сопротивления и возрастание тока коллектора (14).

Рисунок 1.3 - Потенциальная диаграмма транзистора

Работу транзистора можно наглядно представить с помощью потенциальной диаграммы, которая приведена на рис. 1.3 для транзистора типа n–р–n. Эту диаграмму удобно использовать для создания механической модели транзистора. Потенциал эмиттера принят за нулевой. В эмиттерном переходе имеется небольшой потенциальный барьер. Чем больше напряжение u_б-э, тем ниже этот барьер. Коллекторный переход имеет значительную разность потенциалов, ускоряющую электроны. В механической модели шарики, аналогичные электронам, за счет своих собственных скоростей поднимаются на барьер, аналогичный эмиттерному переходу, проходят через область базы, а затем ускоренно скатываются с горки, аналогичной коллекторному переходу (10).

2  ФОТОТРАНЗИСТОР

2.1 Принцип работы

Работа различных полупроводниковых приемников излучения (фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры) основана на использовании внутреннего фотоэффекта, который состоит в том, что под действием излучения в полупроводниках происходит генерация пар носителей заряда — электронов и дырок. Эти дополнительные носители увеличивают электрическую проводимость. Такая добавочная проводимость, обусловленная действием фотонов, получила название фотопроводимости. У металлов явление фотопроводимости практически отсутствует, так как у них концентрация электронов проводимости огромна (примерно 1022 см^-3) и не может заметно увеличиться под действием излучения. В некоторых приборах за счет фотогенерации электронов и дырок возникает ЭДС, которую принято называть фото-ЭДС, и тогда эти приборы работают как источники тока. А в результате рекомбинации электронов и дырок в полупроводниках образуются фотоны, и при некоторых условиях полупроводниковые приборы могут работать в качестве источников излучения (5).

Фототранзистор - фоточувствительный полупроводниковый приемник излучения, по структуре подобный транзистору и обеспечивающий внутреннее усиление сигнала. Его можно представить состоящим из фотодиода и транзистора. Фотодиодом является освещаемая часть перехода база-коллектор, транзистором - часть структуры, расположенная непосредственно под эмиттером. Так как фотодиод и коллекторный переход транзистора конструктивно объединены, то фототок суммируется с коллекторным током. Напряжение питания подводят так, чтобы коллекторный переход был закрыт, а эмиттерный - открыт. База может быть отключенной.

В отличие от биполярного транзистора, у фототранзистора отсутствует электрический контакт к базе, а управление током базы осуществляется путем изменения ее освещенности. По этой причине конструктивно фототранзистор имеет только два вывода — эмиттер и коллектор.

Рисунок 2.1 - а) Схема фототранзистора со структурой p-n-p;

б) зонная диаграмма фототранзистора в активном режиме работы

На рис. 2.1 показаны схема включения фототранзистора и зонная диаграмма в активном режиме работы.

При попадании светового потока на n-область базы в ней генерируются неравновесные электроны и дырки. Дырки будут являться неосновными носителями, увеличение их концентрации приведет к росту дрейфовой компоненты тока из базы в коллектор. Величина первичного «затравочного» фототока будет выражаться такими же соотношениями, как и фототок диода на основе p-n-перехода. Отличие только в том, что неравновесные носители, участвующие в фототоке в фототранзисторе, собираются с области базы, ширина которой W меньше, чем диффузионная длина L_p. Поэтому плотность первичного «затравочного» фототока будет (7):

                                             (2.1)

Вследствие того что неравновесные дырки уходят из базы в коллектор, база заряжена отрицательно относительно эмиттера, что эквивалентно прямому смещению эмиттерного перехода фототранзистора. При прямом смещении эмиттерного p-n-перехода появляется инжекционная компонента тока из эмиттера в базу. При коэффициенте передачи эмиттерного тока α в базе рекомбинируют (1–α) инжектированных носителей или в β раз меньше, чем число инжектированных носителей. В условиях стационарного тока число прорекомбинировавших носителей в базе должно быть равно их числу, ушедшему с первоначальным фототоком. Поэтому инжекционный ток должен быть в β раз больше, чем первичный фототок. Ток коллектора I_К будет состоять из трех компонент: первичного фототока I_ф, инжекционного βI_ф и теплового I_К0 тока (7).

I_К= I_ф+β I_ф=(β+1) I_ф+ I_К0                            (2.2)

Используя выражение для коэффициента усиления β базового тока через конструктивно-технологические параметры биполярного транзистора, получаем:

                                     (2.3)

Величина первичного фототока I_Ф выражается через параметры светового потока и характеристики полупроводникового материала стандартным образом:

 (2.4)

При освещении базы в ней возникают электронно-дырочные пары. Так же как и в фотодиоде, пары, достигшие в результате диффузии коллекторного перехода, разделяются полем перехода, неосновные носители из базы движутся в коллектор, при этом его ток увеличивается. Основные носители остаются в базе, понижая ее потенциал относительно эмиттера. При этом на эмиттерном переходе создается дополнительное прямое напряжение, вызывающее дополнительную инжекцию из эмиттера в базу и соответствующее увеличение тока коллектора.

Рисунок 2.2 - Энергетическая диаграмма фототранзистора (а) и вольтамперные характеристики фототранзистора при разных уровнях освещения (б).

2.1.1 Работа фототранзистора с общим эмиттером

Рассмотрим, например, работу фототранзистора в схеме с общим эмиттером при отключенной базе. Фототок коллекторного перехода суммируется с обратным током коллектора, поэтому в формуле для тока транзистора вместо J_К0 следует поставить (17)

J_К0 + J_Ф/J = (J_К0 + J_Ф)/(1-α).

При J_К0>>J_Ф J =J_Ф/(1-α) ≈ βJ_Ф, т.е. фототок фототранзистора усиливается в β раз по сравнению током фотодиода. Соответственно в β раз увеличивается и чувствительность. Ток может быть усилен в 1000 раз, поэтому чувствительность фототранзистора во много раз больше чувствительности фотодиода. Однако поскольку произведение коэффициента усиления на полосу частот величина постоянная, то предельная частота уменьшается в β раз.

Рисунок 2.3 - Эквивалентная схема фототранзистора.

Наличие диффузии носителей обуславливает значительную инерционность прибора τ = 10^–5-10^–6 с. При сужении базы время диффузии уменьшается, но уменьшается и чувствительность. Для германиевых фототранзисторов SI= 0,2-0,5 А/лм, V_раб= 3 В, I_темн= 300 мкА, τ = 0,2 мс. В корпусе прибора предусмотрено прозрачное окно, через которое световой поток попадает обычно на базовую область фототранзистора. Площадь фоточувствительной площадки составляет 1-3 мм².

2.2    Параметры фототранзисторов

Основные параметры фототранзисторов представлены в таблице 2.1

Таблица 2.1 - Параметры фототранзисторов